II. Z čeho můžeme v Česku vyrábět bezemisní elektřinu?

Abychom mohli energetiku dekarbonizovat dostatečně rychle, potřebujeme významně posílit bezemisní zdroje elektřiny. Tento text se zaměřuje na možnosti výroby, které jsou dnes technologicky dostupné a dají se v ČR využít.

V tomto textu najdete přehled základních technologií pro bezemisní či nízkoemisní výrobu elektřiny. Více o možnostech jejich kombinace do nízkoemisního mixu se dočtete v předchozím dílu série.

Než se pustíme do zkoumání možností jednotlivých technologií, připomeňme základní škálu problému, který řešíme. Dnes v Česku spotřebujeme okolo 60 TWh elektřiny ročně. Do roku 2050 očekáváme výrazný nárůst spotřeby, hlavně kvůli elektrifikaci části dopravy, vytápění a průmyslu. Odhady tohoto nárůstu se mírně liší, pro účely tohoto textu nám bude stačit dobře zapamatovatelný hrubý odhad: v roce 2050 budeme potřebovat pokrýt zhruba 100 TWh spotřeby za rok. Tuto spotřebu nemusíme nutně celou pokrýt domácí výrobou, část spotřeby můžeme pokrýt importem elektřiny ze zahraničí.

Ke každému zdroji elektřiny dáváme odhad současných sdružených nákladů na výrobu elektřiny, na základě odhadů IEA a Lazardu. Tyto hodnoty rozhodně nejsou vytesané do kamene, v dalších letech a dekádách můžeme očekávat další výrazný vývoj nákladů jednotlivých zdrojů.

Slunce a vítr

Slunce a vítr jsou už dnes zdrojem elektřiny s nejnižšími celkovými náklady (a to i v českých podmínkách, kde např. na 1 m² solárního panelu dopadne za rok jen okolo 1,3 MWh slunečního záření oproti 2 MWh na jihu Španělska¹). Celkové náklady na výrobu elektřiny z nové větrné nebo solární elektrárny jsou dnes dokonce asi 2× nižší než pouhé provozní náklady na výrobu z hnědého uhlí.²

Slunce

I v českém prostředí je možné vyrobit ze slunce několikanásobek celkové roční spotřeby elektřiny. Potenciál pro tuto výrobu na nejvhodnějších plochách (střechy, fasády, bývalé povrchové doly, brownfieldy apod.) je významný, ale omezený. Prakticky neomezený potenciál má zemědělská krajina. Solární panely na polích sice vzbuzují odpor obyvatel, je ale třeba si uvědomit, že hektar solárních panelů dokáže vyrobit zhruba 40× více energie než hektar řepky pěstované na bionaftu. Za tímto účelem přitom u nás řepku pěstujeme asi na 1 300 km², což je plocha, která by stačila na výrobu 70 TWh elektřiny za rok.³ Navíc dnes již existují i kompromisní řešení, například tzv. agrivoltaika, kdy se půda využívá dvojím způsobem – k pěstování zemědělských plodin, které lépe rostou ve stínu než na přímém slunci a daří se jim pod vysoko umístěnými, řídce osazenými solárními panely. V Česku je ale tento slibný přístup⁴ zatím v počátcích.

Vítr

I když vítr hodně fouká především u moře a to u nás nemáme, i tak můžeme s pomocí větru pokrýt znatelnou část své spotřeby. Studie Ústavu fyziky atmosféry AV ČR odhaduje technický potenciál výroby z tohoto zdroje v Česku na cca 70 TWh/rok. Realizovatelný potenciál do velké míry závisí na podpoře obyvatel a politiků – řádově se dá odhadnout na 10—30 TWh/rok.

Slunce a vítr k sobě potřebují flexibilní zdroje, které rozebíráme níže. Zásadním problémem u solárních a větrných elektráren je totiž proměnlivost jejich výroby. V tomto textu se zabýváme především sezónní proměnlivostí – solární zdroje nejvíc vyrábějí na jaře a v létě, větrné naopak na podzim a v zimě.

Pro sezónně vyrovnanou výrobu v ČR z větru a slunce je potřeba, aby výrazně převažovala výroba z větru (alespoň v poměru 3:1 ve prospěch větru⁵). V Česku ale zatím máme značnou převahu výroby ze slunce (cca 3:1 ve prospěch slunce). To rozhodně neodpovídá rozložení spotřeby. Kdybychom rozvíjeli obnovitelnou výrobu v tomto poměru, vyžadovalo by to velké akumulační kapacity, tedy mít do čeho elektřinu ukládat, abychom ji mohli využít, když slunce tolik nesvítí:

Jádro

Konvenční jádro

Jádro může být jedním ze stavebních kamenů bezemisní výroby elektřiny. Evropská komise jej navrhuje přechodně do roku 2045 povolit v taxonomii jako udržitelnou investici, což zjednodušuje financování nových jaderných projektů. Podmínkou je vytvoření národních plánů na vybudování trvalého úložiště jaderného odpadu do roku 2050.

Nové jaderné elektrárny či bloky u nás mohou hrát roli v období po roce 2040. Nijak nám ale nepomáhají snižovat emise skleníkových plynů v nejbližších letech (a naplňovat tak emisní závazky EU a ČR). Plánování a stavba těchto elektráren v Evropě totiž v poslední době trvá i více než 20 let, přičemž mnoho nedávných projektů nedokázalo ani zdaleka dodržet původní časový plán.⁶

Stavba nových jaderných bloků s sebou nese velké investiční riziko a relativně vysoké náklady. Je tak pro ni obtížné se prosadit v prostředí liberalizovaného trhu. V posledních desetiletích nedošlo v Evropě k žádné stavbě čistě na tržní bázi⁷ a také ČEZ se v posledních deseti letech opakovaně bránil vstupu do nového jaderného bloku na vlastní tržní riziko. S pokračujícím rozvojem výroby z větru a slunce bude situace na trhu s elektřinou pro jaderné bloky čím dál složitější. Časté nadbytky výroby z obnovitelných zdrojů totiž budou snižovat průměrnou cenu elektřiny na burze a tím i zisky provozovatelů jaderných zdrojů, případně je ve chvílích nadbytku budou tlačit ke snížení výroby.⁸ Rozvoj jaderné energetiky tedy závisí na podpoře od státu.⁹

K zajištění dostatečné výroby v Česku by zdaleka nestačilo postavit jeden či dva bloky. Kdybychom chtěli jádrem pokrýt většinu budoucí spotřeby ČR, řekněme 90 TWh za rok, potřebovali bychom instalovaný výkon okolo 12 GW. Dnes máme asi 4 GW, z toho 2 GW v současných Dukovanech nejspíš budeme muset do roku 2050 uzavřít. Zároveň probíhá tendr na jeden nový blok v Dukovanech o velikosti 1,2 GW. Takových nových bloků bychom ovšem do roku 2050 museli postavit 8. To by najednou vyžadovalo nemyslitelné množství financí, expertní kapacity a obrovské investiční riziko. Kromě toho bychom museli pro stavbu otevřít další lokality, což není snadné.

Vzhledem k těmto vlastnostem jaderných elektráren je realistické uvažovat buď o odklonu od jaderné energetiky, nebo jen o jejím omezeném rozvoji.¹⁰ V horizontu roku 2050 jaderná energetika zdaleka nemůže pokrýt celou naši předpokládanou spotřebu elektřiny.

Malé modulární reaktory (SMRs)

Malé modulární reaktory (Small modular reactors, SMRs) mohou přispět k rychlejšímu rozvoji jádra ve 30. a 40. letech. Jde o pestrou škálu technologií, která slibuje menší reaktory (s elektrickým výkonem řádově 10—300 MW), jež by mělo být možné sériově vyrábět v továrně a v podstatě hotové je dopravovat na místo použití. Díky svému pasivnímu designu by měly být také bezpečnější, protože v případě krizové situace vydrží déle bez zásahu operátorů a bez dodávky elektřiny zvenku. Tyto vlastnosti by měly přispět k výrazně snazšímu rozšíření této technologie. Ministerstvo průmyslu a obchodu už připravuje rámec pro jejich výstavbu v ČR. V našich podmínkách mohou být obzvláště atraktivní při dekarbonizaci velkých tepláren.

SMR nejsou a v nejbližších letech nebudou komerčně dostupné.¹¹ Přes intenzivní výzkum a vývoj panuje kolem této technologie spousta nejistoty. Prosadí se vůbec? Jak rychle je bude možné škálovat? Jak se k nim postaví úřady regulující jadernou bezpečnost? Jaká bude jejich cena a jak rychle bude tato cena klesat? Z tohoto důvodu není vhodné o nich uvažovat jako o jediném řešení pro dekarbonizaci. V dalších dekádách ale mohou zpestřit paletu našich možností.

Doplňkové flexibilní zdroje

Kromě již zmíněných zdrojů lze k výrobě elektřiny využít i další technologie. Ty mohou v budoucím nízkoemisním mixu jen těžko hrát stěžejní úlohu, mohou nám ale posloužit jako zdroje doplňkové, jejichž výkon můžeme regulovat dle potřeby. Pro fungování celé soustavy jsou tyto flexibilní zdroje naprosto klíčové, protože mohou dodávat elektřinu, když právě nesvítí či nefouká (a nebo je některý z jaderných bloků v nečekané odstávce). V dalším textu se zaměřujeme na dnešní hlavní technologie, i když je samozřejmě možné, že se později v praxi prosadí něco úplně jiného.

Protože se v tomto textu soustředíme na výrobu elektřiny, nebudeme podrobně rozvádět geotermální zdroje. Ty jsou v Česku velmi důležitým bezemisním zdrojem tepla, příp. chladu. Z těchto zdrojů je možné (ve vybraných lokalitách v Česku) vyrábět spolu s teplem i elektřinu. Z pohledu dnešních nákladů je ale potenciál na výrobu elektřiny z geotermálních zdrojů v Česku nízký (v porovnání s ostatními technologiemi, které zde představujeme).

Hydro

Potenciál vodních elektráren v Česku je malý a využíváme jej téměř naplno.¹² S ohledem na ochranu krajiny je navíc v dnešní Evropě velmi těžké prosadit stavbu nové velké přehrady. Můžeme tedy v ČR dál rozvíjet síť malých vodních elektráren, ty ale elektřiny vyrobí jen málo a z hlediska budoucí spotřeby nejsou příliš významné.

Vodní elektrárny mají určitou flexibilitu, např. vyšší výrobou ráno a večer doplňují výrobu ze slunce. Množství vody za rok je však omezené a přehrady musí vždy alespoň nějakou vodu pouštět. Zhruba 40 % výroby je tak neflexibilní (v posledních letech se v ČR minimální výkon vodních elektráren pohybuje mezi 70–100 MW, průměrný výkon za celý rok pak mezi 200 a 300 MW).

Změna klimatu může v Česku snížit výrobu vodních elektráren. V dalších dekádách může totiž pokračující změna klimatu v Česku zesilovat hydrologické sucho. Důsledkem toho může být jednak nižší objem roční výroby, jednak nižší flexibilita této výroby.

Biomasa

Využití odpadů a zbytků je podstatným zdrojem biomasy – využít se dají odpadní vody, organická složka komunálního odpadu, hnůj, zbytky ze sklizně nebo odřezky ze zpracování dřeva (štěpka). Potenciál odpadních a zbytkových surovin k výrobě elektřiny je ale omezený. Mnohé z nich totiž mají i další uplatnění: využívají se jako krmivo pro dobytek, k výrobě tepla, jako organické hnojivo či jako masa uhlíku, který je možné přirozeně uložit v půdě.

Cílené pěstování energetických plodin je dalším zdrojem biomasy – mezi ně patří například kukuřice, řepka, ozdobnice obrovská (miscanthus) nebo stromy. Potenciál cíleně pěstované biomasy je ale také omezený. Má to dvě příčiny:

• Energetické plodiny jsou oproti jiným zdrojů energie velmi málo efektivní. Na jednom hektaru zemědělské půdy je možné za rok vypěstovat biomasu na výrobu 20–30 MWh elektřiny¹³, tedy veškerá zemědělská půda ČR (přes 4 mil. hektarů) by dodala 85–125 TWh ročně.

• Energetické plodiny soutěží o prostor s plodinami zemědělskými a také s přírodou, využití veškeré zemědělské půdy v ČR na biomasu je samozřejmě nemyslitelné. I celosvětově musíme být obezřetní, velké využití energetických plodin by zvedalo ceny zemědělských komodit, což by lidem v chudých zemích zhoršovalo přístup k potravinám a mohlo tak mít velmi neblahé sociální důsledky.

Biomasa v energetice může mít vysoké nepřímé emise. Z hlediska klimatu dává tento zdroj smysl pouze při lokálním využití nebo při transportu nízkoemisní dopravou. Potřebujeme, aby energie získaná z biomasy výrazně převýšila energii vloženou do pěstování, sklizně a přepravy.

Přes všechny tyto výhrady může biomasa díky snadnému skladování hrát důležitou roli ve vyrovnávání výkyvů ve výrobě ze slunce a větru.

Uhlí nebo zemní plyn s CCS

Technologie CCS je zatím do velké míry nerozvinutá: na celém světě je dnes v provozu pouze jedna elektrárna v Kanadě (a potom další zařízení mimo elektroenergetiku, obvykle využívaná při zpracování zemního plynu). Většina CCS projektů ohlášených ve světě v minulé dekádě byla zrušena, kolem úspěšného rozvoje této technologie a realizace nových projektů tedy panuje značná nejistota. Kromě toho CCS závisí na infrastruktuře pro trvalé ukládání, která zatím není ve střední Evropě k dispozici a vyžaduje nový systém potrubí transportující CO₂ do úložiště. V současnosti takovou infrastrukturu rozvíjí např. Norsko.

CCS neznamená nulové emise. Dokáže zachytit pouze cca 85–95 % přímých emisí a nezachytí nepřímé emise při těžbě a přepravě fosilních paliv, takže např. plynové turbíny s CCS nejsou zdaleka klimaticky neutrální. Kromě toho vyžaduje CCS další rozvoj fosilní těžby a je těžké zaručit, že se významná část paliv z takových projektů skutečně spálí s použitím CCS. CCS navíc prodlužuje naši závislost na státech, které produkují fosilní paliva.

Přes všechny tyto problémy mohou fosilní elektrárny s CCS hrát důležitou roli při vyrovnávání výkyvů v produkci ze slunce a větru. Úspěšný rozvoj CCS v Česku ale bude záviset na podpoře vlády, protože příprava úložiště CO₂ s sebou zatím nese příliš mnoho nejistot a rizika pro soukromé investory. Další zdroje informací o CCS najdete v naší rešerši.

Plynové turbíny na zelený nebo modrý vodík

Vodík lze využít jako velkokapacitní energetické úložiště pro elektřinu ze slunce a větru, když je jí v síti nadbytek. Vodík je možné ekonomicky skladovat ve velkém objemu a na delší dobu v podzemních zásobnících. Potom se z něj dá vyrábět elektřina v paroplynových blocích, které se podobají těm na zemní plyn.¹⁴ Díky relativně snadnému skladování na zimu je vodík také potenciálním kandidátem pro dekarbonizaci tepláren.

Podíl zeleného vodíku má stoupat. V rámci plánu REPowerEU chce EU do roku 2030 dosáhnout roční spotřeby 20 Mt vodíku. Polovina se má vyrábět uvnitř EU a polovina dovážet z dalších států (např. ze severu Afriky). To není málo – na výrobu těchto 20 Mt zeleného vodíku je potřeba asi 1 000 TWh bezemisní elektřiny navíc (tedy asi 35 % současné roční spotřeby EU), a není proto jasné, zda se tento plán podaří realizovat.

Ani 20 Mt ročně nenasytí poptávku EU, protože větší část vyrobeného vodíku bude nejspíš potřeba mimo energetiku. Pro přibližnou orientaci: ze zmíněných 20 Mt vodíku ročně by se dalo zpětně vyrobit asi 350–400 TWh elektřiny (přibližně 13 % současné roční spotřeby EU), tedy jen asi třetina elektřiny, která se spotřebuje na výrobu tohoto vodíku. Pro vyrovnávání výkyvů ve výrobě ze slunce a větru je to ale i tak velké číslo, např. podle progresivního scénáře think tanku Ember bude v roce 2050 na vyrovnání výkyvů v celé Evropě potřeba jen asi 110 TWh elektřiny z vodíku.

Technologie na krátkodobé vyrovnávání

Tyto technologie nejsou primárním zdrojem elektřiny. Umožňují pouze na daném místě o malý čas posunout její výrobu (pomocí ukládání elektřiny) nebo spotřebu (pomocí flexibility spotřeby). Proto se jim v tomto textu podrobně nevěnujeme.

Krátkodobé vyrovnávání se už dnes do značné míry využívá. V Česku jsou nejvýznamnější:

• přečerpávací vodní elektrárny na straně výroby (za rok vyrobí zhruba 1 TWh) a
• nízký tarif na straně spotřeby (za rok se v něm spotřebuje přes 10 TWh).

Je třeba dodat, že 1 TWh spotřebovaná v nízkém tarifu neposkytuje zdaleka takovou flexibilitu jako 1 TWh dodaná z přečerpávací elektrárny. Pomáhá ale snižovat rozdíl mezi spotřebou ve dne a v noci.

Při velkém zastoupení slunce a větru v energetickém mixu budeme krátkodobé vyrovnávání potřebovat výrazně víc, řádově 5–20 TWh za rok. Přečerpávací elektrárny nicméně není v ČR možné příliš rozšiřovat, takže pro krátkodobé vyrovnávání bude nutné rozšíření nových technologií (např. lithiové baterie apod.¹⁵).

Závěr

V České republice můžeme pro nízkoemisní výrobu elektřiny rozvíjet řadu technologií. Některé jsou dostupné a cenově výhodné už teď, třeba solární a větrné elektrárny (a z určitého pohledu i konvenční jaderné zdroje). Další, například vodíkové technologie, malé modulární reaktory, příp. i CCS, mohou k větší komerční zralosti dospět už v průběhu této dekády. Shrnutí všech diskutovaných zdrojů nabízí následující tabulka.

Nicméně je třeba dodat, že s každou z těchto hlavních technologií je spojeno nějaké podstatné omezení. Většina výroby ze slunce je koncentrována do relativně málo hodin během teplejší poloviny roku. Větrná energetika zase má v Česku omezený potenciál na to, aby dokázala spolehlivě pokrýt spotřebu v chladnější části roku. Jaderné zdroje narážejí na velmi dlouhou dobu výstavby a vysoké investiční náklady, tedy i velké investiční riziko. Proto není úplně samozřejmé, že Česko skutečně dojde k levnému a stabilnímu energetickému mixu. O to víc potřebujeme možné scénáře posuzovat komplexně a na další rozvoj elektroenergetiky v ČR mít vypracovaný dlouhodobý plán.

Poznámky a zdroje